Projet Stage 1 [PDF]

Zitiervorschau

Année-universitaire : 2021-2022

Rapport de projet de fin d’année

Etude d’un poste de décarottage pour la carotte inférieure

Rédigé par :

Encadrant:

Marouane BAH-TRAORE Japhet AYASSOU Jacintho MPETEYE M Barak OURO-AKONDO Sylvain PALLI

Devant le jury: Aïcha AHBACHOU Japhet AYASSOU

Table des matières INTRODUCTION .......................................................................................................................... 3 1

Partie préliminaire : planification du projet ....................................................................... 4

2

Etat des lieux de la mini-usine ............................................................................................ 5

3

2.1

Alimentation ................................................................................................................ 5

2.2

Composants et fonctionnement de la machine .......................................................... 5

2.2.1

Fixation du flacon ................................................................................................. 6

2.2.2

Entaille de la carotte supérieure .......................................................................... 6

2.2.3

Découpage de la carotte supérieure .................................................................... 6

Analyse fonctionnelle.......................................................................................................... 8 3.1

4

5

Analyse du besoin ........................................................................................................ 8

3.1.1

Saisi et énoncé du besoin ..................................................................................... 8

3.1.2

Validation du besoin............................................................................................. 8

3.2

Diagramme pieuvre ..................................................................................................... 9

3.3

Caractérisation des fonctions .................................................................................... 10

3.4

Analyse préliminaire des risques (APR) ..................................................................... 11

Solutions technologiques .................................................................................................. 13 4.1

Diagramme SADT ....................................................................................................... 13

4.2

Diagramme FAST........................................................................................................ 13

4.3

Proposition des solutions .......................................................................................... 14

Etude technique ................................................................................................................ 15 5.1

Dimensionnement du système pneumatique ........................................................... 15

5.2

Choix des vérins ......................................................................................................... 15

5.2.1

Vérin 1 ................................................................................................................ 15

5.2.2

Vérin 2 ................................................................................................................ 17

5.2.3

Vérin 3 ................................................................................................................ 17

5.2.4

Choix du régulateur de débit.............................................................................. 18

5.2.5

Choix des distributeurs....................................................................................... 19

5.2.6

Choix du groupe de conditionnement ............................................................... 19

6

Bilan économique ............................................................................................................. 20

7

Présentation de la solution : Conception 3D avec le logiciel SolidWorks ........................ 21 7.1

Le vérin 1.................................................................................................................... 21

7.2

Vérin 2........................................................................................................................ 21 P a g e 1 | 30

7.3

Vérin 3........................................................................................................................ 22

7.4

La lame tranchante .................................................................................................... 22

7.5

Le moule de maintien ................................................................................................ 23

7.6

Flacon avec les carottes ............................................................................................. 23

7.7

Châssis ....................................................................................................................... 24

7.8

Le système principal .................................................................................................. 24

7.9

Système complet ....................................................................................................... 25

Conclusion ................................................................................................................................ 28 Table des illustrations .............................................................................................................. 29 Références ................................................................................................................................ 30

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INTRODUCTION

Toute usine de fabrication a pour finalité de faire des profits. Atteindre ce but revient la plupart du temps à minimiser la main d’œuvre impliquée dans la chaîne de production de même que le temps de production. La Smart Factory Connected, mini-usine et cœur du laboratoire de l’école HESTIM n’est certainement pas l’exception à cette règle. Plusieurs tâches au sein de sa chaîne de production de flacons, peuvent être sujettes à semiautomatisation (voire automatisation). Dans le cadre de notre projet de fin d’année en remplacement des stages en entreprises, nous avons pour tâche de mettre en œuvre une telle amélioration pour l’opération de décarottage des flacons. Une opération de décarottage consiste à ôter les bavures présentes sur les flacons au sortir de la machine d’extrusion-soufflage. La SFC (Smart Factory Connected) dispose déjà d’un poste semi-automatique de décarottage des flacons pour la carotte supérieure. Il nous est précisément demandé d’étudier la possibilité d’implantation d’un poste automatique pour la carotte inférieure. Le présent document rend compte du travail que nous avons effectué autour de ce projet de sa planification à la présentation de la solution finale sur laquelle nous nous sommes arrêtés. Nous y justifions en détails tous nos choix de dimensionnement et de conception et nous donnons également les références desquelles nous avons extrait les caractéristiques du matériel impliqué dans la conception.

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1 Partie préliminaire : planification du projet

Figure 1 : Diagramme Gantt

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2 Etat des lieux de la mini-usine Toute étude de conception digne de ce nom, une fois planifiée en détails dans le temps, commence par un état des lieux de l’environnement ou le rendu du travail sera déployé. Nous avons donc mené une investigation sur la mini-usine de l’école HESTIM en nous attardant plus particulièrement sur la machine de décarottage semi-automatique prévue pour la carotte supérieure des flacons (dont la carotte inférieure est au préalable enlevé manuellement).

2.1 Alimentation La machine de décarottage est alimentée par de l’énergie pneumatique. Cette dernière est produite par le compresseur à air de la mini-usine. Ce compresseur n’alimente pas seulement la machine de décarottage mais aussi le poste de remplissage et même l’extrudeuse souffleuse.

Figure 2 : Cartographie de la SFC

Une fois que la pression de l’air acheminé vers la machine atteint un seuil suffisant, elle devient opérationnelle pour l’opération de décarottage. Pour faire plus claire, à basse pression par rapport au seuil, la machine fonctionne certes, mais tranche à peine la carotte supérieure. La pression se lit sur la jauge du régulateur de pression de la machine.

2.2 Composants et fonctionnement de la machine La machine de décarottage de la SFC est constituée d’un mécanisme usant de 4 vérins pneumatiques de FESTO et d’un système pignon-crémaillère. Le cycle se lance par une action P a g e 5 | 30

de l’opérateur. Ce dernier est censé pressez simultanément les deux boutons poussoirs verts sur les côtés de la machine.

2.2.1 Fixation du flacon Une fois le flacon disposé dans la brique moulée inférieure de la machine, la brique moulée supérieure vient l’immobiliser mue par un vérin FESTO de diamètre de piston 20 mm et de 80 mm de course.

Figure 3 : Brique moulée inférieure

2.2.2 Entaille de la carotte supérieure Une fois le flacon fixé, deux vérins FESTO de 40 mm de diamètre (piston) et 30 mm de course, alignés et concentriques dont les tiges sont munies à leurs bouts de lames tranchantes se déploient pour venir entailler la carotte supérieure.

2.2.3 Découpage de la carotte supérieure A cette étape, les lames sont plantées dans la carotte supérieure. Le vérin portant la crémaillère est alors déployé. La crémaillère entraîne le pignon solidaire avec l’arbre et les

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deux lames. Le pignon effectue alors un demi-tour puis revient sur ses pas. De même, les lames se rétractent, ainsi que le vérin portant la brique moulée supérieure.

Figure 4 : Parties de la machine de décarottage actuelle

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3 Analyse fonctionnelle 3.1 Analyse du besoin 3.1.1 Saisi et énoncé du besoin Dans la mini-usine (Smart Factory Connected) de l’école HESTIM, les flacons produits présentent deux imperfections majeures à la sortie de la machine d’extrusion-soufflage. C’est ce que nous appelons des carottes. La carotte située au niveau du goulot du flacon est la carotte supérieure et celle situé à la base du flacon est la carotte inférieure. Comme expliqué dans le CDC du projet, seule la carotte supérieure est enlevée par le biais d’une machine (un poste semi-automatique) tandis que la carotte inférieure est enlevée manuellement par un opérateur.

Figure 5 : Carottes sur les flacons au sortir de l’extrudeuse-souffleuse

Le besoin exprimé dans le CDC (et donc le but recherché) est le besoin d’automatisation de l’opération qui consiste à enlever la carotte inférieure des flacons. Nous sommes pour notre part censés pallier à ce besoin dans les limites économiques que le projet présente, les limites technologiques du marché et les limites immuables à notre propre compétence.

3.1.2 Validation du besoin Il est évident que le besoin principal énoncé plus haut n’est pas parti d’un caprice mais de véritables enjeux envisagés au préalable. A la question : Pourquoi ce besoin ? les réponses directes et font l’unanimité :

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 Faire gagner du temps à la chaîne de production sur cette opération : le décarottage à la machine est plus rapide et plus précis qu’avec la main d’œuvre humaine.  Economiser de la main d’œuvre (main d’œuvre qui peut être consacrée à des tâches moins redondantes et ennuyeuses) Mais alors, à l’aide de quoi pouvons-nous faire disparaître ce besoin ? La solution intuitive proposée dans le CDC est un poste automatique permettant d’enlever la carotte inférieure. Cependant, après mûres réflexions et en observant les machines de décarottages souvent assorties aux machines d’extrusion-soufflage, nous sommes partis sur une solution plus complète. Nous avons constaté que nous pourrions tout autant concevoir une machine permettant d’enlever les deux carottes (supérieure et inférieure) en une seule fois. La machine de décarottage rend service à l’opérateur qui souhaite enlever les carottes (supérieure et inférieure) du flacon.

Figure 6 : Diagramme bête-à-corne

3.2 Diagramme pieuvre En vue de dégager les fonctions que devra assurer notre produit, nous avons eu recours à la méthode des interacteurs en utilisant un diagramme pieuvre.

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Figure 7 : Diagramme pieuvre

Nom de fonction FP1 FP2 FC1 FC2 FC3 FC4 FC5 FC6 FC7 FC8

la

Désignation de la fonction Enlever les carottes Maintenir le flacon Utiliser l’énergie disponible Être facilement accessible pour les maintenances éventuelles Garantir la sécurité de l’utilisateur Opérer le décarottage en peu de temps Être peu coûteux Occuper le moins d’espace possible Être un minimum esthétique Donner un assez bon état de surface des parties décarottées

3.3 Caractérisation des fonctions Caractériser les fonctions de la machine revient à leur attribuer des niveaux et des flexibilités suivant les critères permettant de jauger leur mise en œuvre effective. Pour cela nous avons recours à la méthode Cri-Ni-Flex comme suit :

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Nom de fonction

FP1

FP2

FC1 FC2 FC3 FC4 FC5 FC6 FC7 FC8

la

Désignation

Enlever les carottes

Maintenir le flacon

Utiliser l'énergie disponible Être accessible pour les maintenances éventuelles Garantir la sécurité de l'utilisateur

Critère

Niveau

Affutage de l'outil de coupe Très de la carotte supérieure

-

Diamètre du vérin Course du vérin

±1 ±1

50 mm 30-60 mm

Pression de fonctionnement 2bars - 6bars du vérin

±1 Pa

Diamètre du vérin Course du vérin

±1 ±1

50 mm 80 mm

Pression de fonctionnement 2bars - 6bars du vérin

±1 Pa

Précision de la brique moulée Grande (sans jeu)

-

Energie Pneumatique 2bars - 6,5bars (Compresseur à air)

±1 Pa

_non-scellement composantes

-

des

-

_Nombres de phénomènes à ≤3 risque visant l'opérateur

-

Opérer le décarottage en Temps de décarottage d'un ≤3 sec peu de temps flacon Prix de revient de la Être peu couteux ≤ 10000 Dh réalisation Occuper le moins Volume occupé par la ≤ 1 mètre-cube d'espace possible machine Être un minimum esthétique Donner un assez bon état de surface des parties décarottées

Flexibilité

± 500 Dh -

Appréciation du design par le Design correct client

-

Rugosité des décarottées

-

parties

Peu rugueuses

3.4 Analyse préliminaire des risques (APR) Afin de connaître à l’avance les risques majeurs encourus par les interacteurs du système que nous cherchons à mettre en place, nous avons réalisé une analyse préliminaire des risques. Elle est récapitulée dans le tableau suivant :

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SYSTÈME : OPERATION DE DECAROTTAGE PRODUITS/ EQUIPEMENTS

EVENEMENT REDOUTE CENTRAL

Blessure de l'opérateur par la lame Machine de décarottage des flacons de la SFC

Fuite d'air dans les raccordements du système pneumatique

EVENEMENT INITIATEUR

Erreur humaine

Défaillances matériels

Erreur humaine

PHENOMENE DANGEREUX

CIBLE POTENTIELLE

Actionnement inopportun des vérins portant les lames

personnel

Irrégulation de la pression dans le dispositif (risque de projection des composants)

personnel

PREVENTION

Mettre le compresseur à l'arrêt avant toute opération implicant de s'approcher des lames Maintenance régulière Respecter les conditions d'utilisation énoncées dans le manuel de fonctionnement

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PROTECTION

Porter des gangs renforcés

Vitres de protection

4 Solutions technologiques 4.1 Diagramme SADT

Figure 8 : Diagramme SADT

4.2 Diagramme FAST L’outil F.A.S.T qui se présente sous forme d’un arbre fonctionnel établi à partir de la fonction globale en répondant aux questions : Pourquoi ? Comment ? Quand ? Ainsi nous obtiendrons un arbre montrant les étapes à suivre et les moyens technologiques nécessaire.

Figure 9 : Diagramme FAST

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4.3 Proposition des solutions Il existe 3 types de vérins : Les vérins pneumatiques, hydrauliques et électriques. Notre vérin doit être capable de faire sortir la tige avec une grande vitesse et une force plus ou moins importante et son installation doit être moins coûteuse. Nous nous référons au tableau comparatif suivant pour le choix du type de vérin à utiliser :

Figure 10 : Choix du type de vérin [1]

Nous choisirons donc un vérin pneumatique car respecte mieux les conditions de grande vitesse de force et de coût d’installation. En plus la SFC dispose d’un compresseur à air pour l’alimentation du vérin.

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5 Etude technique 5.1 Dimensionnement du système pneumatique

Figure 11 : Schéma pneumatique du système réalisé avec le logiciel FluidSim

Le schéma pneumatique ci-dessus montre le fonctionnement du système pneumatique de la machine.  Le compresseur à air est chargé de fournir de l’air comprimé.  Le groupe de conditionnement sert à filtrer et à lubrifier l’air ainsi que de maintenir une pression constante à la sortie.  Les distributeurs pneumatiques 5/2 serviront à diriger l’air comprimé vers les différentes parties du circuit afin de faire sortir ou faire rentrer les tiges des vérins.  Le vérin 1 fera avancer et reculer une lame qui coupera la carotte supérieure.  Le vérin 2 fera avancer et reculer une barre qui enlèvera la carotte inférieure.  Le vérin 3 pour maintenir le flacon en place.  Les distributeurs seront commandés par des boutons poussoirs.

5.2 Choix des vérins 5.2.1 Vérin 1 Le vérin 1 fera avancer et reculer une lame qui coupera la carotte supérieure. Le vérin du laboratoire jouant ce rôle a les caractéristiques suivantes :

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Diamètre du piston = D = 40 mm = 4 cm Pression minimale = Pmin = 6 bars Donc elle développe une force minimale de 𝐅 = 𝐏 × 𝐒 = 𝐏 × 𝛑 × (𝐃/𝟐)² AN: F = 6 × π × (4/2)2 𝐅𝐦𝐢𝐧 = 𝟕𝟓, 𝟒 𝐝𝐚𝐍 Nous choisirons donc un vérin capable de développer une force supérieure à 𝐹𝑚𝑖𝑛 , c’est-àdire un vérin avec un diamètre de plus de 40 mm et une course de 60 mm.

Figure 12 : Sélection de la famille de vérins [2]

Figure 13 :: Sélection du vérin 1 par caractéristiques [3]

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Nous choisirons donc le vérin compact de référence ADN-50-60-A-P-A (Diamètre 50 mm, Course 60 mm, Tige filetée et bague d’amortissement des deux côtés)

5.2.2 Vérin 2 Le vérin 2 fera avancer et reculer une barre qui enlèvera la carotte inférieure. Un vérin à faible course suffira pour ce rôle.

Figure 14 : Sélection du vérin 2 par caractéristiques [3]

Nous choisirons un vérin ayant les mêmes caractéristiques que le vérin 1 mais avec une course plus faible de 30 mm : ADN-50-30-A-P-A.

5.2.3 Vérin 3 Le vérin 3 pour maintenir le flacon en place. Nous utiliserons un vérin capable d’opposer la même force que la force du vérin 1, donc un vérin de même diamètre que le vérin 1. Nous utiliserons alors le vérin de référence ADN-50-80-A-P-A.

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Figure 15 : Sélection du vérin 3 par caractéristiques [3]

5.2.4 Choix du régulateur de débit D’après le catalogue des vérins les trois vérins ont un raccord G 1/8 donc on utilisera des réducteurs de raccord G 1/8. On a 3 vérins, donc 6 réducteurs.

Figure 16 : Choix du régulateur de débit [4]

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5.2.5 Choix des distributeurs Pour les vérins à double-effet, on utilise des distributeurs 5/2.

Figure 17 : Choix des distributeurs [5]

Nous utiliserons 2 distributeurs 5/2 de raccord 1/8 de chez FESTO.

5.2.6 Choix du groupe de conditionnement

Figure 18 : Choix du groupe de conditionnement [6]

Nous choisirons un groupe de conditionnement de raccord 1/8.

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6 Bilan économique Eléments Vérin 1 Vérin 2 Vérin 3 Distributeur Régulateur de vitesse Groupe de conditionnement Tuyau 8mm Coude Raccord en T Vanne à bouton poussoir Châssis et pièces (à usiner)

Référence

Fabricant

ADN-50-60-A-P-A ADN-50-30-A-P-A ADN-50-80-A-P-A MFH-5-1/8-B LRLL-1/8-QS-6 MSB4-1/8-FRC5 : J1M1

FESTO FESTO FESTO FESTO FESTO

M120 VM130

FESTO

Quantité 1 1 1 2 6

Prix unitaire 1 150 DH 1 300 DH 1 400 DH 1 400 DH 150 DH

Prix total 1 150 DH 1 300 DH 1 400 DH 2 800 DH 900 DH

1 4m 5 2

1 500 DH 140 DH 20 DH 20 DH

1 500 DH 140 DH 100 DH 40 DH

2

80 DH

160 DH

1

1 000 DH

1 000 DH

Total

10 490 DH

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7 Présentation de la solution : Conception 3D avec le logiciel SolidWorks 7.1 Le vérin 1

Figure 19 : Modèle 3D du vérin 1

7.2 Vérin 2

Figure 20 : Modèle 3D du vérin 2

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7.3 Vérin 3

Figure 21 : Modèle 3D du vérin 3

7.4 La lame tranchante

Figure 22 : Modèle 3D de la lame tranchante

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7.5 Le moule de maintien

Figure 23 : Modèle 3D de la brique moulée de maintien

7.6 Flacon avec les carottes

Figure 24 : Modèle 3D d’un flacon avec les carottes

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7.7 Châssis

Figure 25 : Modèle 3D du châssis

7.8 Le système principal

Figure 26 : Modèle 3D du système principal : Vue 1

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Figure 27 : Modèle 3D du système principal : Vue 2

7.9 Système complet

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CONCLUSION

In fine, nous avons étudié, dimensionné et conçu le système que nous pensons être le plus adapté pour le poste de décarottage de la SFC. Nous avons également saisi l’opportunité d’opérer le décarottage des deux carottes sur les flacons en une opération afin d’économiser un poste. Quant à la réalisation effective du système décrit tout au long de ce document, toutes les parties ne sont pas forcément à acheter. En faisant un inventaire détaillé du matériel disponible à la mini-usine, l’on pourrait trouver de quoi mettre sur pied la machine. En guise de perspective il ne reste dès lors qu’à rédiger le mode d’emploi de la machine, afin que les usagers de la mini-usine sachent la manipuler. Nous avons toutefois pris soin de rendre son utilisation la plus intuitive possible (dans la conception) en rapprochant son design de celui de la décarotteuse déjà en service à la SFC. Pour finir, nous espérons vivement que ce travail répond aux attentes et aux besoins des moniteurs de la mini-usine.

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Table des illustrations Figure 1 : Diagramme Gantt ....................................................................................................... 4 Figure 2 : Cartographie de la SFC ............................................................................................... 5 Figure 3 : Brique moulée inférieure ........................................................................................... 6 Figure 4 : Parties de la machine de décarottage actuelle .......................................................... 7 Figure 5 : Carottes sur les flacons au sortir de l’extrudeuse-souffleuse .................................... 8 Figure 6 : Diagramme bête-à-corne ........................................................................................... 9 Figure 7 : Diagramme pieuvre .................................................................................................. 10 Figure 8 : Diagramme SADT...................................................................................................... 13 Figure 9 : Diagramme FAST ...................................................................................................... 13 Figure 10 : Choix du type de vérin [1] ..................................................................................... 14 Figure 11 : Schéma pneumatique du système ......................................................................... 15 Figure 12 : Sélection de la famille de vérins [2] ...................................................................... 16 Figure 13 :: Sélection du vérin 1 par caractéristiques [3] ....................................................... 16 Figure 14 : Sélection du vérin 2 par caractéristiques [3]......................................................... 17 Figure 15 : Sélection du vérin 3 par caractéristiques [3] ........................................................ 18 Figure 16 : Choix du régulateur de débit [4] ............................................................................ 18 Figure 17 : Choix des distributeurs [5] ..................................................................................... 19 Figure 18 : Choix du groupe de conditionnement [6] .............................................................. 19 Figure 19 : Modèle 3D du vérin 1 ............................................................................................. 21 Figure 20 : Modèle 3D du vérin 2 ............................................................................................. 21 Figure 21 : Modèle 3D du vérin 3 ............................................................................................ 22 Figure 22 : Modèle 3D de la lame tranchante.......................................................................... 22 Figure 23 : Modèle 3D de la brique moulée de maintien ........................................................ 23 Figure 24 : Modèle 3D d’un flacon avec les carottes ............................................................... 23 Figure 25 : Modèle 3D du châssis ............................................................................................. 24 Figure 26 : Modèle 3D du système principal : Vue 1 ............................................................... 24 Figure 27 : Modèle 3D du système principal : Vue 2............................................................... 25

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Références [1] S. Rosenfeld, Advantages andDrawbacks ofPneumatic, Hydraulic,and Electric LinearActuators, T. motion, Éd., Juillet 2017, p. 4. [2] FESTO, «vérins pneumatiques,» 2021. [En ligne]. Available: https://www.festo.com/fr/fr/c/produits/automatisationindustrielle/actionneurs/verins-pneumatiques/verins-a-tige-id_pim215/. [Accès le Juillet 2022]. [3] FESTO, «vérins compacts,» [En ligne]. Available: https://www.festo.com/fr/fr/p/verincompact-double-effet-id_ADN_S/?tab=HIGHLIGHTS. [Accès le Juillet 2022]. [4] FESTO, «manodetendeur différentiel,» [En ligne]. Available: https://www.festo.com/fr/fr/p/manodetendeur-differentielid_LRL_LRLL/?q=manod%C3%A9tendeur%20diff~:festoSortOrderScored. [Accès le Juillet 2022]. [5] Maroc automate, «Distributeur pneumatiqeue 5/2,» [En ligne]. Available: https://www.marocautomate.com/distributeur-pneumatique/379-distributeurpneumatique-festo-52-18-mfh-5-18-b.html. [Accès le 2022]. [6] FESTO, «groupe de conditionnement,» [En ligne]. Available: https://www.festo.com/fr/fr/p/combinaison-d-unites-de-conditionnementid_MSB_6_FRC/?q=groupe%20de%20condi~:festoSortOrderScored. [Accès le Juillet 2022].

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